水泥路面板早期固化殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理及測(cè)量方法研究項(xiàng)目摘要

水泥混凝土路面板早期收縮變形受到內(nèi)部骨料和外部邊界約束后將導(dǎo)致早期固化殘余應(yīng)力和早期固化翹曲的發(fā)生，從而影響板的開(kāi)裂行為。為此，本項(xiàng)目首先針對(duì)水泥混凝土早期收縮行為，開(kāi)發(fā)能夠測(cè)量水泥混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的試驗(yàn)裝置，并基于毛細(xì)孔液面平衡方程建立相對(duì)濕度和內(nèi)應(yīng)力發(fā)展的細(xì)觀計(jì)算模型，分析水泥混凝土早期固化殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理；然后通過(guò)室內(nèi)大尺寸板試驗(yàn)研究水泥路面板內(nèi)相對(duì)濕度變化規(guī)律和板早期固化翹曲行為，在此基礎(chǔ)上建立邊界約束和非線性相對(duì)濕度梯度下水泥路面板翹曲計(jì)算模型，分析早期固化殘余應(yīng)力和翹曲對(duì)板開(kāi)裂行為的影響；最后借鑒金屬工程中測(cè)量表面殘余應(yīng)力的方法，采用鉆環(huán)法測(cè)量水泥混凝土板表面殘余應(yīng)力，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和鉆環(huán)過(guò)程的數(shù)值模擬完成不同工況下的對(duì)比分析，驗(yàn)證測(cè)量方法的可行性。.本研究有助于解釋水泥混凝土早期固化殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理，提出并驗(yàn)證鉆環(huán)測(cè)量方法的可行性，為水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法的完善提供依據(jù)。

水泥混凝土路面早期固化翹曲和殘余應(yīng)力將導(dǎo)致水泥路面發(fā)生板頂-底開(kāi)裂，但是在我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒(méi)有考慮早期固化翹曲因素。本項(xiàng)目首先針對(duì)水泥混凝土早期收縮行為，借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，根據(jù)水泥混凝土毛細(xì)孔壓力收縮機(jī)理，建立了水泥混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度變化和干縮變形的關(guān)系，開(kāi)發(fā)了一種能夠測(cè)量水泥混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的試驗(yàn)裝置，并通過(guò)室內(nèi)和試驗(yàn)試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的可行性及可靠性。然后，針對(duì)水泥路面早期固化翹曲機(jī)理，分不同時(shí)間澆筑了多個(gè)大尺寸梁式試件，埋設(shè)了溫濕度傳感、應(yīng)變傳感等自澆筑開(kāi)始為期15天的連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析了環(huán)境溫度和濕度對(duì)其翹曲行為的影響機(jī)理，確定了早期翹曲計(jì)算方法和零應(yīng)力溫度梯度的確定方法，并通過(guò)有限元模型分析了早期固化翹曲對(duì)服役期水泥路面板開(kāi)裂行為的影響。最后，針對(duì)早期固化翹曲在水泥路面板表面形成的殘余應(yīng)力問(wèn)題，借鑒金屬工程中殘余應(yīng)力測(cè)量方法-鉆孔法，本項(xiàng)目提出了鉆環(huán)法測(cè)量水泥路面板表面殘余應(yīng)力的方法，建立了鉆環(huán)法的有限元計(jì)算模型，通過(guò)生死單元技術(shù)完成了鉆環(huán)前后水泥路面板表面應(yīng)力釋放的數(shù)值模擬分析，并通過(guò)不同工況的數(shù)值模擬分析提出了鉆環(huán)法測(cè)量水泥路面表面殘余應(yīng)力的合理參數(shù)，與美國(guó)機(jī)場(chǎng)道面研究中心完成的梁式結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)了有限元模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)室內(nèi)小型尺寸水泥路面板的鉆環(huán)試驗(yàn)檢驗(yàn)了該方法的可行性。 本項(xiàng)目的研究成果解釋了水泥路面早期固化翹曲和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，與水泥路面的板頂-底實(shí)際開(kāi)裂狀況有著密切聯(lián)系，為將來(lái)水泥路面設(shè)計(jì)規(guī)范的完善提供了依據(jù)。 2100433B

復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力模型是描述復(fù)合材料殘余應(yīng)力與固化溫度、時(shí)間及壓力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

中文名稱(chēng)

復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力模型

英文名稱(chēng)

residual stress model of composite

定　　義

描述復(fù)合材料殘余應(yīng)力與固化溫度、時(shí)間及壓力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），復(fù)合材料（二級(jí)學(xué)科），增強(qiáng)體（三級(jí)學(xué)科）

1.盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量

它的原理是在平衡狀態(tài)下的原始應(yīng)力場(chǎng)上鉆孔 ，以去除一部分具有應(yīng)力的金屬，而使圓 孔附近部分金屬內(nèi)的應(yīng)力得到松弛，鉆孔破壞了原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)而使應(yīng)力重新分布，并呈現(xiàn)新 的應(yīng)力平衡，從而使圓孔附近的金屬發(fā)生位移或應(yīng)變，通過(guò)高靈敏度的應(yīng)變儀，測(cè)量鉆孔后的應(yīng)變 量，就可以計(jì)算原應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值。

殘余應(yīng)力檢測(cè)儀主要采用盲孔法進(jìn)行各種材料和結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析和研究，還可作為在靜力強(qiáng)度研究中測(cè)量結(jié)構(gòu)及材料任意點(diǎn)變形的應(yīng)力分析儀器。如果配用相應(yīng)的傳感器，也可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移和溫度等物理量。它以計(jì)算機(jī)為中央微處理機(jī)，采用高精度測(cè)量放大器、數(shù)據(jù)采集和處理器，測(cè)量中無(wú)需調(diào)零，可直接測(cè)出殘余應(yīng)力值的大小及方向，實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力測(cè)量的自動(dòng)化。

2.磁測(cè)法殘余應(yīng)力測(cè)量

磁測(cè)法殘余應(yīng)力檢測(cè)法主要是通過(guò)磁測(cè)法來(lái)測(cè)定鐵磁材料在內(nèi)應(yīng)力的作用下磁導(dǎo)率發(fā)生的變化確定殘余應(yīng)力的大小和方向。眾所周知，鐵磁材料具有磁疇結(jié)構(gòu)，其磁化方向?yàn)橐状呕S向方向，同時(shí)具有磁致伸縮性效應(yīng)，且磁致伸縮系數(shù)是各向異性的，在磁場(chǎng)作用下，應(yīng)力產(chǎn)生磁各向異性。磁導(dǎo)率作為張量與應(yīng)力張量相似。通過(guò)精密傳感器和高精度的測(cè)量電路，將磁導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸出電流（或電壓）值來(lái)反映應(yīng)力值的變化，并通過(guò)裝有特定殘余應(yīng)力計(jì)算機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)計(jì)算，得出殘余應(yīng)力的大小、方向和應(yīng)力的變化趨勢(shì)。

3.X射線衍射法殘余應(yīng)力測(cè)量

在各種無(wú)損測(cè)定殘余應(yīng)力的方法之中，X射線衍射法被公認(rèn)為最可靠和最實(shí)用的。它原理成熟，方法完善，經(jīng)歷了七十余年的進(jìn)程，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程和材料科學(xué)，取得了卓著成果。

X-射線應(yīng)力測(cè)定儀是一種簡(jiǎn)化和實(shí)用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項(xiàng)附加的功能──測(cè)定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實(shí)體工件，而且能夠針對(duì)同一點(diǎn)以不同的φ角、Ψ角進(jìn)行測(cè)試,以探測(cè)織構(gòu)的影響，這項(xiàng)功能便具備了重要而獨(dú)特的用途。

鉆孔灌注樁存在因泥皮降低側(cè)阻與沉渣降低端阻及承載力離散等問(wèn)題，故灌注樁后注漿技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但目前對(duì)灌注樁注漿后帶來(lái)樁端持力層的加固作用、殘余應(yīng)力等方面缺乏研究，同時(shí)對(duì)樁基的破壞方式與破壞機(jī)理缺乏系統(tǒng)研究。本課題采用室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)、 現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)、鉆孔取芯觀測(cè)及理論建模研究相結(jié)合的方式，對(duì)樁端后注漿過(guò)程中漿液擴(kuò)散、樁端加固作用、殘余應(yīng)力及破壞機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了注漿對(duì)土層物理力學(xué)參數(shù)的影響、砂土漿液的可注入性的影響因素以及漿液在不同土體中的壓濾、壓密和劈裂效應(yīng)及其發(fā)展規(guī)律；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究樁端后注漿殘余應(yīng)力及變化規(guī)律、樁端后注漿殘余應(yīng)力對(duì)樁基承載力的影響以及樁端后注漿破壞方式和破壞機(jī)理；在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了后注漿過(guò)程中滲透注漿、壓密注漿模型，水泥漿液壓濾模型以及樁端殘余應(yīng)力模型等內(nèi)容。課題研究結(jié)果很好的解決了樁端后注漿過(guò)程中的關(guān)鍵難題，為后注漿的推廣應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)。 2100433B